高中物理课必修三视频:天地大冲撞?(2008.6.27)

与导致火星南北半球出现“阴阳脸”甚至月球形成的行星撞击相比，通古斯大爆炸仅仅是一起微不足道的小事件而已

【《财经网》专稿/记者王以超】今年3月刚刚去世的著名科幻大师阿瑟·克拉克（Arthur C. Clarke），曾经在其《与拉玛会合》（Rendezvous with Rama）一书中，虚构了极其骇人的一幕：
　　

2077年9月11日，当地时间9点46分，意大利北部遭到重达1000吨的“天外来客”的袭击，其撞击速度为每秒50公里；意大利帕多瓦、威尼斯等城市，或因直接袭击，或因袭击导致的海水上涨而彻底消失。全世界超过60万人死亡，经济损失高达万亿美元；而人类在艺术、历史以及科学方面的损失，则无法估量。
　　

当然，与其说这些情节纯属虚构，倒不如说是对于真实发生在俄罗斯西伯利亚地区的“通古斯事件”（Tunguska Event）的一种“戏仿”。而在下周一（6月30日），我们就将迎来通古斯事件一百周年纪念日。
　　

1908年6月30日早，位于俄罗斯莫斯科以东4000公里、贝加尔湖以北大约1000公里处的通古斯，发生了震惊世界的大爆炸。虽然因为当地荒野一片，并没有造成大量人员伤亡，但整个爆炸的威力，不仅造成周边大面积森林和驯鹿被毁灭，冲击波更激荡了整个地球。
　　

据当时英国《泰晤士报》（The Times）报道，爆炸当天晚上，在久久不散的辉光映照下，英国和欧洲很多国家都经历了可怕的“白夜”，市民甚至不用借助任何人造光源就可以阅读报纸。
　　

可以预料的是，在下周一，会有不少国家的天文爱好者以各种方式，来纪念这个百年的来临。
　　

刚刚于6月26日出版的英国《自然》杂志，则以一种特殊的方式，来纪念这个特殊的时刻：通过对最新的两个火星探测器获得的数据进行分析，美国宇航局喷气推进实验室（JPL）、麻省理工学院（MIT）和加州大学等机构的研究人员在三篇论文中均确认，在大约39亿年前，火星这个地球的近邻上曾经发生过更为惨烈的“天地大冲撞”。一颗直径超过1600公里、个头比冥王星还大的小行星，永久地改变了火星的面貌；而造成通古斯事件的小行星的尺寸，一般认为在50米左右。

世纪悬疑
　　

通古斯大爆炸发生后，虽然有当地观测人员忠实地记录了第一现场的很多细节，比如强大的冲击波以及对人体带来的烧灼感等。但由于通古斯过于荒凉，一直到20世纪20年代，在前苏联政府的资助下，一个名叫库利克（Leonid Kulik）的矿物学家才首次进入爆炸中心地带。
　　

目睹了劫后的第一现场，库利克大失所望：爆炸中心并没有留下什么陨铁，甚至连陨石坑都没发现。而根据人们一般的认识，小行星撞击通常会有陨石坑产生。
　　

1930年，美国科学家提出一种新理论，试图来解释通古斯大爆炸。那就是肇事者可能是松散、质量较轻的彗星，而不是小行星。由于彗星在高空就爆炸了，自然不会在地面留下陨石坑。
　　

这一理论在此后的几十年中，一度被广为接受，甚至到了2007年初，仍有俄罗斯科学家相信“肇事者”就是一颗冰彗星。但这个理论存在很大缺陷：2001年，研究人员发现，其撞击的路径更接近小行星轨道，而非传统的彗星轨道。此外，如果是彗星所为，意味着其密度大约只有每立方米三公斤。这是一个极低的密度，相当于地球的1/1800，甚至只有空气的两倍。
　　

此后，人们又提出了各种解说，试图揭开笼罩在这次大爆炸身上的迷雾。
　　

1945年，美国在日本广岛和长崎首次在实战中使用了原子弹。一些研究人员敏锐地发现，通古斯大爆炸的场景，与核爆炸极其相似：都产生了强大的冲击波、高温，乃至随之而来的辉光等。一个大胆的猜想随即诞生：会不会是一艘外星人的核动力飞船失事，从而导致这次大爆炸？
　　

虽然这个说法一度受到公众以及科幻作家的热烈追捧，不过，这注定是一个难以证伪亦难以证实的猜想。毕竟迄今为止，人类尚没有发现任何外星生命存在的确切证据，惶论更加高级的文明形式。
　　

同时期出现的其他比较科学的解释，主要是反物质（antimatter）理论和微缩黑洞（miniature black hole）理论。
　　

物理学家已经预测，并在实验室中成功地制造出过反物质。普通物质是由带负电的电子和带正电的原子核构成的，而反物质则是由带正电的电子和负电的原子核构成。一旦物质与反物质遭遇，就会全部湮灭，转化成巨大的能量。
　　

这个理论同样缺陷明显，因为如果物质与反物质遭遇并湮灭的话，不仅会产生大爆炸，同样会产生高能伽马射线等。但迄今为止，人类在与地球相邻的宇宙空间中，都未观测到这种湮灭存在的迹象。
　　

微缩黑洞这个概念，最早是《时间简史》的作者、英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金(Stephen Hawkin)教授提出的。这些米粒大小的黑洞，是宇宙创生时留下的遗产，其重量一般相当于数百个地球。但是，如果通古斯大爆炸的确是微缩黑洞造成的话，那么这个黑洞的出口又在哪里？而且，如果是黑洞造成的话，会有长时间的地震信号存在，但事实上并没有。在1908年，包括美国在内的很多国家都已经对这种信号具有了监测能力。
　　

近年来，随着超级计算机的应用，人们可以更好地模拟天地大冲撞的过程，小行星撞击说已经得到越来越多的认同。因为模拟显示，一颗直径为50米的小行星，就足以引起这场能量比广岛原子弹爆炸高出上千倍的大爆炸。同时，如果小行星的主要成分是石头而非铁，也不会留下陨石坑。
　　

“暴戾时代”
　　

实际上，在地球45亿年的历史上，比通古斯大爆炸更为惨烈的天体撞击有很多。像6500多万年前导致恐龙和大批生物灭绝的事件，就被认为很可能是由于一个直径为10公里的小行星撞击造成的。
　　

由于之前的大撞击并没有留下文字记录，就此而言，通古斯大爆炸的确是惟一有历史记录的大撞击事件。
　　

不仅没有文字记录，地球上变化的气候、地质活动以及人类活动，使得很多撞击的痕迹逐渐被岁月湮灭。我们已经很难从中真正还原出史前时代，乃至太阳系幼年时代的图景。
　　

幸运的是，在月球以及火星这样的星球上，虽然也有火山爆发等活动存在，但由于没有雨水冲刷侵蚀以及人为破坏，保留下了大量撞击之后形成的“第一现场”。
　　

像月球背面的南极—艾肯盆地（South Pole – Aitkin Basin ）就被认为是典型的“撞击现场”。一般而言，小型的撞击因为能量有限，只能形成陨石坑，而大型的撞击则会形成盆地。这个盆地的直径达到了2600公里，深度超过12公里。仅从这个盆地的尺寸，就可以想象当初的撞击力度。
　　

但这还不是太阳系中最为暴戾的撞击遗产，比月球上这个盆地尺度更为骇人的，是火星上位于北半球的伯勒里斯盆地（Borealis Basin）——这个盆地的直径超过了一万公里，面积则相当于亚洲、欧洲以及澳大利亚的总和。这也是整个太阳系中，迄今为止发现的最大的撞击盆地。
　　

从1970年代，美国发射的“维京号”飞船传回火星地表的图象之后，这个星球奇特的地貌特征就一直困扰着科学家。因为它是一个典型的“阴阳脸”：南半球基本上是崎岖的高原，陨石坑密布；北半球却地势低洼，多为平原或者盆地。
　　

有两个理论，或许是可能的解释。一种理论认为，火星这种地貌的形成，是火山等强烈的内部对流造成的，冷却的熔岩形成了北半球的低地平原地形。然而，重量仅为地球1/10的火星，是否足以支撑形成这么大面积的盆地？这是个问题。而且，如果按照这种理论的话，北半球的岩石年代应该相对年轻，但事实上并非如此。
　　

另外一种可能，则是在太阳系的幼年时期，火星曾经遭遇到小行星的猛烈撞击，导致整个北半球表层在强大的撞击下被剥夺，留下了巨大的撞击盆地。1984年，美国康奈尔大学的科学家，首次提出这一理论。然而，在火星上，科学家没有观察到典型的环形撞击痕迹，这是一个问题。
　　

因为火星上后来发生的火山运动，很大程度上覆盖了当初撞击的痕迹；要精确地透过数十公里深的熔岩还原当初的撞击痕迹，的确不是件容易的事情。但美国发射的两个火星探测器——“火星勘测者轨道飞行器”（MRO）和“环火星勘探者”（MGS），成功地利用不同岩石结构重力的区别，还原出了当初的撞击轮廓，以及相应的海拔高度。
　　

通过数据重建，天文学家终于获得了完整的撞击痕迹：这不是一个环形的盆地，而是一个椭圆形的盆地。这意味着，其时，这颗小行星沿着一定角度撞击到火星，而非垂直方面。
　　

计算机模拟显示，在大约40亿年，一个直径超过1600公里的小行星，沿30度到60度角方向，以每秒6到10公里的速度撞向火星北半球。这次撞击产生的能量，相当于10的16次方（10000000000000000）个广岛原子弹。因此，火星北半球大面积的表层都被摧毁，只留下一个巨大的、面积相当于火星整体40%的盆地；余波也影响到南半球，一些小的二次撞击加上倾泄而来的北半球表面，使得南半球更加崎岖。
　　
   太空卫士
　　

但火星上的这次撞击，虽然形成的盆地是太阳系中最大的，但撞击能量未必是最大的。科学家们猜测，太阳系的另外一个行星——水星，可能也遭遇过同样巨大的撞击，且整个表层都被撕碎了。
　　

而月球的形成或许也是同时期小行星撞击地球的后果。据测算，产生月球的这次撞击能量比火星大撞击还要高出上百倍。
　　

当然，这种“大轰炸时期”仅仅是太阳系产生早期的特有现象，早在38亿年前就落下了帷幕。即使导致恐龙灭绝的那种天体撞击，发生的概率也也仅为亿年一遇。然而，人类仍不能掉以轻心。
　　

以通古斯大爆炸为例，如果晚三个小时发生，很可能会击中莫斯科；一旦这个小行星击中伦敦市区，方圆40公里之内的上百万人都会丧生。克拉克所描绘的那一幕，或许并不仅仅存在于想象空间。
　　

从1980年代以来，随着技术的进步，美国和加拿大等国的人们已经开始对可能威胁地球的近地小行星进行观测。当然，由于观测精度有限，目前监测的还大多是直径1公里以上的小行星。
　　

截至目前，全世界已经确认的直径超过1公里的近地小行星，已经接近750颗。这个数字比30年前增加了近20倍。这些观测结果基本排除了人类在未来50年，甚至一个世纪中，遭遇到这种劫难的可能性。
　　

但那些直径在1公里内的小行星的威力，对于人类仍然是一个严重的威胁。即使直径仅数百米的小行星，一旦撞击到地球表面的海洋中，可能形成巨大的海啸，造成比2004年底印尼海啸更为惨重的人员和财产损失。
　　

因此，美国正在考虑将监测范围从目前的直径1公里下降到300米至400米。但是，在科学家看来，这就意味着需要监测的小行星数目，将比现在高出10倍以上。这需要大量的人力物力投入。
　　

而通古斯大爆炸表明，即使是直径在50米上下的更小行星，依然可能构成威胁。显然，真正建立起一个可以洞察任何天外威胁的“太空卫士”网络，并不那么容易。
　　

有一点共识是：尽量提高监测水平仍是必要的。尺寸更小的行星，破坏范围也相对小；那怕提前数个小时进行疏散，也将避免大的伤亡。
　　

天文学家测算，类似通古斯大爆炸这样的撞击，大概每500年到1500年才会发生一次。那些足以改变地球的气候模式，甚至导致整个文明毁灭的撞击时间，则更为遥远。当然，这些假设，都是建立在撞击事件沿时间尺度平均分布的基础上的。而宇宙的性情是如此地让人琢磨不透，使得我们永远无法确定性地预测未来，无论是与否。
　　

愿自然法则保佑人类，最起码在有限的未来。